引力是空間彎曲的幾何效應,為何科學家還要尋找引力子?

2021-01-15 艾伯史密斯

引力子是量子力學的產物,相對論和量子力學本身就存在衝突,所以尋找引力子成為調和量子力學和相對論力學的途徑之一。

愛因斯坦在完成他的相對論後,就一直著手於建立統一場論,試圖完成物理學的大統一,可惜那時候各方面的條件都不足,甚至那時候四大作用力只發現了兩個,愛因斯坦最終以失敗而告終,但是激勵了後來的物理學家。

物理學中一共有四大基本力——強力、弱力、電磁力和萬有引力;其中引力最先被發現,後來麥克斯韋把電和磁統一到了電磁理論中,四大基本作用力主宰著我們世界微觀到宏觀的一切,但是又存在明顯差異。

愛因斯坦的相對論在描述宏觀世界時非常成功,尤其是廣義相對論把引力描述為空間的幾何效應,解決了天體物理學的眾多難題;愛因斯坦受此啟發,也試圖把電磁力幾何化,但是沒有成功。

在上世紀五十年代前後,強力和弱力相繼被發現,更是激起了物理學家們對大統一理論的熱情,要知道從萬有引力到電磁力的發現經歷了100多年的時間,而距離電磁力的發現已經有100多年了,每次新基本力的發現,都會讓一位大物理學家名留青史(前者是牛頓和庫倫)。

而這次物理學的機遇,留給了楊振寧和米爾斯,他們兩人共同提出了楊-米爾斯理論,建立了大名鼎鼎的標準模型,標準模型在理論上完成了強力、弱力和電磁力的統一。

這三種力的統一都有一個特點,就是需要至少一種傳遞介子,比如電磁力的傳遞介子是光子,強力的傳遞介子是膠子,而弱力的傳遞介子是w玻色子和z玻色子。

標準模型一下子統一了三種基本力,可以說是取得了巨大的成功,那麼標準模型的下一步,自然是想把萬有引力也統一進來,可惜在相對論的領域上,標準模型似乎沒有話語權;根據標準模型的描述,把傳遞引力的介子叫做引力子,定義為自旋為2,靜止質量為零的玻色子,但是引力子目前只存在於理論中。

科學家使用各種精密的實驗來尋找引力子,但是都沒有成功,可能的原因是:引力子的頻率非常低,波長非常長,所以引力子攜帶的能量非常低。

比如地球擁有巨大的質量,那麼地球引力子的波長理論上有6光年,能量數量級為10^-42焦耳,如此微弱的能量,現有儀器根本無法探測到。

有人可能覺得,引力波都被證實了,難道不是間接證明了引力子存在嗎?

當然不是,引力波是空間的漣漪,並不能說明引力子存在,好比在19世紀末,物理學家知道電磁波的存在,但是並不能說明光子存在,直到愛因斯坦正確解釋了光電效應,才說明光子是存在的。

目前量子力學主宰著微觀世界,而相對論在描述宏觀方面非常成功,但是兩者又存在不相容的地方,而對萬有引力的描述是分歧之一,所以尋找引力子,成為調和量子力學和相對論力學的途徑之一。

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